(57)【要約】【課題】耐炎化工程中においても蓄熱による糸切れを防止し、さらには各工程での糸条への高張力でも破断することのない糸繋ぎ接合部および糸繋ぎ接合部を有する、生産性の高い炭素繊維の製造方法を提供する。【解決手段】第１の前駆体繊維束の端部と、第２の前駆体繊維束の端部とを、第３の繊維束を介して連結してフィラメント数が３０００本以上の炭素繊維を製造するに際して、第３の繊維束は、熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、フィラメント数が３０００本以上で、かつドレープ値が２ｃｍ以上１５ｃｍ以下で、扁平度が２０以上の炭素繊維束であることを特徴とする炭素繊維の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の前駆体繊維束の端部と、第２の前駆体繊維束の端部とを、第３の繊維束を介して連結してフィラメント数が３０００本以上の炭素繊維を製造するに際して、第３の繊維束は、熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、フィラメント数が３０００本以上で、かつドレープ値が２ｃｍ以上１５ｃｍ以下で、扁平度が２０以上の炭素繊維束であることを特徴とする炭素繊維の製造方法。
【請求項２】
第３の繊維束の繊度が、第１および第２の前駆体繊維束の繊度に対して、０．２倍以上３．０倍以下の間にあることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維の製造方法。
【請求項３】
第１の前駆体繊維束と第３の繊維束の連結部、および第２の前駆体繊維束と第３の繊維束の連結部は、連結される繊維束同士を引き揃え、重ねあわせた状態で加圧流体を噴射して交絡することにより形成される糸繋ぎ接合部であり、前記第１と第２の前駆体繊維束の間に第３の繊維束を挟んだその糸繋ぎ接合部の常温雰囲気中での引張強さが２０ｇ／ｔｅｘ以上であることを特徴とする１〜２のいずれかに記載の炭素繊維の製造方法。
【請求項４】
第１の前駆体繊維束の端部と、第２の前駆体繊維束の端部とを、第３の繊維束を介して連結するに際して、該第１の前駆体繊維と第３の繊維束との重ね合わせ部、および第３の繊維束と第２の前駆体繊維との重ね合わせ部に、繊維束の幅方向に直列に複数の流体噴射孔の列が開口され、前記流体噴射孔の列が繊維束方向に間隔をあけ２列以上に配置された少なくとも１組の交絡処理手段により加圧流体を噴射して、前記第１の繊維束と前記第３の繊維束、および第３の繊維束と第２の繊維束の単繊維を互いに絡み合わせ、繊維束の幅方向に複数の部分絡合をもつ接合部を備えた糸繋ぎ接合部を形成させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な方法で糸繋ぎ接合部の蓄熱を低減し、焼成工程において糸繋ぎ接合部が蓄熱により破断することなく、高温を維持した状態で工程通過可能な糸繋ぎ接合部、およびその糸繋ぎ接合部を用いて繊維束を接合する連続的な炭素繊維の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、炭素繊維の製造工程において、炭素繊維製造の前駆体繊維束は、ボビンなどに巻き上げられた形態、あるいは箱の中に折り畳み積層された形態によって焼成工程に供給されている。従って、これらの前駆体繊維束を連続的に焼成し、炭素繊維に転換していくためには、ボビンに巻き上げられた形態、あるいは箱体内に収容されている前駆体繊維束の始端部を、何らかの手段で焼成工程を通過中の前駆体繊維束の終端部に接合する必要がある。
【０００３】
この、前駆体繊維束の末端部同士を接合し、前駆体繊維束を連続的に炭素繊維の製造工程に供給して操業性を向上させる手段として、炭素繊維の前駆体繊維束の末端部同士を加圧流体により交絡させて接合する方法が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
この方法により炭素繊維の前駆体繊維束の末端部同士を接合させることは可能であるが、形成された糸繋ぎ接合部では繊維束密度が高くなるため、耐炎化工程で前駆体繊維束自身の発熱により酸化反応が過度に進み、糸繋ぎ接合部が焼損してしまうという問題がある。蓄熱による糸繋ぎ接合部の糸切れを防止するためには、耐炎化炉工程の温度をその前駆体繊維束の糸切れする温度よりも低くさせなければならない。すなわち、耐炎化工程での熱処理温度を下げる分、生産速度も下げる必要があるため、連続化を図っても生産性向上には結びつきにくい。
【０００５】
これらの対策として、例えば、前駆体繊維束と、接続媒体として非発熱性の耐炎化糸と接合させる方法が講じられてきた（特許文献２参照。）。しかしながら、この方法においても、蓄熱量を低減させる効果はあるものの、除熱が十分でないため前駆体繊維束密度が高くなる接合部では、依然として蓄熱などによる糸切れなどが発生しやすい。従って、糸繋ぎ接合部が耐炎化工程を通過する際には、耐炎化温度を低下し、低下した熱量を補うために生産速度を下げなければならなかった。また、耐炎化糸とポリアクリロニトリル系前駆体繊維束は、繊維束の捌け具合が異なるため、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束と耐炎化糸が十分に混繊しにくく、均一に交絡するという点で十分とは言いきれない。そのため、両者の繊維束同士が工程中の張力にて破断してしまい、生産効率を十分に改善できるものではなかった。
【０００６】
他にも、加圧流体により形成される交絡接合ではなく、末端部同士を分割し、編み込んで接合する方法も講じられているが（特許文献３参照。）、この場合、各接合部の結束強度がバラツキつくため、結束強度の弱い接続部には応力が集中し、結束強度の弱い接合部から順に破断してしまうという問題があった。
【０００７】
また、前駆体繊維の末端を予め密度１．３０ｇ／ｃｍ3 以上の耐炎化繊維とし、その末端部同士を絡合一体化させてなる接合部を有する炭素繊維製造用のアクリル系繊維が提案されている（特許文献４参照）。この場合、接合部の蓄熱による糸切れに関しては改善される傾向があるものの、前駆体繊維の末端を耐炎化繊維とするのに専用の設備を必要とするため、同様に生産性の良い方法とは言いきれない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２０６６６７号公報
【特許文献２】特開平１０−２２６９１８号公報
【特許文献３】特開２００７−４６１７７号公報
【特許文献４】特開２０００−１４４５３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、簡単な方法で糸繋ぎ接合部の蓄熱を低減し、焼成工程において糸繋ぎ接合部が蓄熱により破断することなく、高温を維持した状態で工程通過可能な糸繋ぎ接合部、およびその糸繋ぎ接合部を用いて繊維束を接合する連続的な炭素繊維の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成せんとするものであって、本発明の炭素繊維の製造方法は、第１の前駆体繊維束の端部と、第２の前駆体繊維束の端部とを、第３の繊維束を介して連結してフィラメント数が３０００本以上の炭素繊維を製造するに際して、第３の繊維束は、熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、フィラメント数が３０００本以上で、かつドレープ値が２ｃｍ以上１５ｃｍ以下で、扁平度が２０以上の炭素繊維束であることを特徴とするものである。
【００１１】
また、第３の繊維束の繊度が、第１および第２の前駆体繊維束の繊度に対して、０．２倍以上３．０倍以下の間にあることが好ましい。
【００１２】
さらに、第１の前駆体繊維束と第３の繊維束の連結部、および第２の前駆体繊維束と第３の繊維束の連結部は、連結される繊維束同士を引き揃え、重ねあわせた状態で加圧流体を噴射して交絡することにより形成される糸繋ぎ接合部であり、前記第１と第２の前駆体繊維束の間に第３の繊維束を挟んだその糸繋ぎ接合部の常温雰囲気中での引張強さが２０ｇ／ｔｅｘ以上で、各々の接合部が複数の絡合部からなっているものであることが好ましい。ここで、引張強さの断面積は、第１または第２の前駆体繊維束を基準としたものである。
【００１３】
さらに、本発明の炭素繊維の製造方法は、第１の前駆体繊維束の端部と、第２の前駆体繊維束の端部とを、第３の繊維束を介して連結するに際して、該第１の前駆体繊維と第３の繊維束との重ね合わせ部、および第３の繊維束と第２の前駆体繊維との重ね合わせ部に、繊維束の幅方向に直列に複数の流体噴射孔の列が開口され、前記流体噴射孔の列が繊維束方向に間隔をあけ２列以上に配置された少なくとも１組の交絡処理手段により加圧流体を噴射して、前記第１の繊維束と前記第３の繊維束、および第２の繊維束と第３の繊維束の単繊維を同時又は逐次に互いに絡み合わせ、繊維束の幅方向に複数の部分絡合をもつ絡合部を備えた糸繋ぎ接合部を形成させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の炭素繊維の製造方法によれば、焼成工程中において、糸条からの発熱を除熱する高い効果を有しているため、蓄熱による破断がなく、さらには高い交絡を有すため張力による破断を抑制することが出来る。これにより、焼成工程における耐炎化炉内温度を低下させることなく接合部を最終工程である巻き取り工程まで通過させることができるため、高い生産条件を維持しつつ連続的に炭素繊維を製造することが可能となり、生産効率を大幅に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の前駆体繊維束と第３の繊維束、第３の繊維束と第２の前駆体繊維束をそれぞれ１箇所ずつ接合させた、本発明の糸繋ぎ接合部を例示する全体の概略側面図である。
【図２】第１の前駆体繊維束と第３の繊維束、第３の繊維束と第２の前駆体繊維束をそれぞれ３箇所ずつ接合させた、本発明の他の糸繋ぎ接合部を例示する全体の概略側面図である。
【図３】本発明の糸繋ぎ接合部概略平面図の一例である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明で用いるドレープ値の測定方法を示す概略側面図である。
【図５】本発明に用いる糸繋ぎ装置の噴射孔の配列の一例示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、本発明にかかる炭素繊維製造工程の一実施形態について説明する。炭素繊維を製造する前駆体繊維として、ポリアクリロニトリル系繊維束やピッチ系繊維束、さらにはセルロース系の繊維束などを好適に用いることができるが、高い強度を発現しやすいため、ポリアクリロニトリル系繊維束であることが好ましい。この、前駆体繊維束を製造する工程の速度と焼成工程の速度は通常大幅に異なるため、前駆体繊維束はボビンに巻き上げられるか、もしくは箱体内に折りたたみ積層されて収容され、その後焼成工程に供給されることが一般的に用いられる。本発明にてこの前駆体繊維束のフィラメント数は３０００本以上である。３０００本未満では、繊維束が細いため第３の繊維束との間での有効な交絡を作成することが困難となり、工程中の高い張力により破断しやすいだけでなく、本発明での高い除熱効果を用いなくても耐炎化炉内を通過させる熱風にて十分除熱されることが多く、本発明に記載の技術を適用する必要性が低い。フィラメント数は高ければ高い方がより本発明の高い除熱効果による高温の耐炎化炉での通過性を活かせるため好ましいが、余り太くし過ぎると前駆体繊維束との交絡部が太くなり過ぎ、工程を通過中に隣接糸条間での混繊等の不具合を生じる可能性もあり好ましくないため、１０００００本以下であることが好ましい。
【００１７】
以下、焼成工程を通過している前駆体繊維束を第１の繊維束、次に焼成工程を通過させようとする前駆体繊維束を第２の繊維束とし、各繊維束がボビンに巻き上げられた形態で供給される場合の例について説明する。特に第１と第２の前駆体繊維束を区別する必要がない場合は、単に前駆体繊維束と表記する。
【００１８】
ボビンに巻き上げられた前駆体繊維束は、ボビンから引き出された後、焼成工程における耐炎化炉内にて耐炎化処理される。この耐炎化処理においては、第１の繊維束が酸化性雰囲気下に通常２００〜３００℃の温度で加熱処理され、耐炎化糸へと転換される。得られた耐炎化糸は、続いて炭化炉内で炭化処理され炭素繊維が得られる。この炭素繊維には、必要に応じて表面改質処理やサイジング剤付与等の表面処理が施され、巻取工程で巻き取られて炭素繊維の製品とされる。ボビンに巻き取られた第１の前駆体繊維束が終端部付近にくると、この第１の前駆体繊維束の終端部に、次のボビンとして巻き取られている第２の前駆体繊維束の始端部が接合される。すなわち、前駆体繊維束の末端部同士が接合され、接合された第２の前駆体繊維束が続けて焼成されることで連続的に炭素繊維が製造される。
【００１９】
本発明は、上記の耐炎化工程通過中の糸繋ぎ接合部の蓄熱による糸切れ、さらには耐炎化工程だけでなくさらに高張力となることのある炭化工程を通過中の糸繋ぎ接合部の破断を防止するものであり、具体的には、第１の前駆体繊維束と第２の前駆体繊維束を、炭素繊維束からなる第３の繊維束を介して接合されてなる炭素繊維の製造方法である。
【００２０】
図１は、第１と第２の前駆体繊維束を、第３の繊維束を介して、１組の交絡処理手段により接合させた本発明の糸繋ぎ接合部を例示説明する概略側面図である。
【００２１】
また、図２は、複数の位置で接合した場合の糸繋ぎ接合部を例示する概略側面図である。図２の例においては、第１の前駆体繊維束１と第３の繊維束３、さらには第３の繊維束と第２の前駆体繊維束２間をそれぞれ３カ所ずつ交絡処理した場合を示している。
【００２２】
図１及び図２に示すように、第１の前駆体繊維束１と第２の前駆体繊維束２の間に第３の繊維束３を挟んでいるが、この第３の繊維束３として熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、フィラメント数が３０００以上で、そのドレープ値が２ｃｍ以上１５ｃｍ以下、さらには扁平度が２０以上である炭素繊維束を用い、本発明の糸繋ぎ接合部を形成することができる。この場合、例えば、第１の前駆体繊維束１の終端部と、第３の繊維束３とを重ね合わせ、あるいは、第３の繊維束３と第２の前駆体繊維束２の始端部とを重ね合わせて、交絡処理設備に設置する。このとき、第３の繊維束には炭素繊維が用いられる。以降、特に断わらずに、第３の繊維束を単に炭素繊維束と表記することがある。
【００２３】
前駆体繊維束と炭素繊維束の接合部において、前記第１の前駆体繊維束１と第３の繊維束３、第３の繊維束３と前記第２の前駆体繊維束２とを互いに絡み合わせた各部分に上記糸繋ぎ接合部Ａが形成される。図１は、それぞれ１カ所の接合部であり、接合部の数は多ければ多いほど接合部全体の引張強さが安定する方向になるが、同時に複数の結合部を作成しようとすると設備が大型化するため設備面でのコストアップしてしまう。１カ所の接合部を作成する設備を複数回処理することでもなし得るが作業性回数が増えてしまうため、２カ所、あるいは図２に示すような３カ所、または４カ所程度が好ましい。また、前記第１の前駆体繊維束と第３の前駆体繊維束、および第３の繊維束と第２の前駆体繊維束とを互いに絡み合わせた接合部において、接続媒体である第３の繊維束の端部４、第１の前駆体繊維束の端部５及び第２の前駆体繊維束の端部６は、接合部端部から１ｃｍ〜５ｃｍ程度のところでカットすることが好ましい。前駆体繊維束は、耐炎化炉での熱処理により縮むことがあり、交絡部のほどけを防止するために１ｃｍ程度は残してカットすることが好ましい。しかし、５ｃｍより多く残すと、隣接糸条への混繊等のトラブルを引き起こす可能性があるため好ましくない。
【００２４】
第３の繊維束は、熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、フィラメント数が３０００以上の炭素繊維束であって、そのドレープ値が２ｃｍ以上で１５ｃｍ以下であり、さらには後述する扁平度が２０以上であることが重要である。
【００２５】
第３の繊維束のフィラメント数は、交絡結合する前駆体繊維束のフィラメント数に合わせて適宜選択することが出来るが、３０００未満の場合、前駆体繊維束との交絡が十分に為されず工程中の張力にて破断することがある。このフィラメント数を増加させると、耐炎化炉内で前駆体繊維から発生する反応熱を効率的に除熱することも出来るが、余り太くし過ぎると前駆体繊維束との交絡部が太くなり過ぎ、工程を通過中に隣接糸条間での混繊等の不具合を生じる可能性もあり好ましくないため、１０００００本以下であることが好ましい。
【００２６】
第３の繊維束の熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の炭素繊維束であると、耐炎化時に糸繋ぎ接合部に発生する熱を十分に散逸できない、つまり除熱効果が低いため蓄熱による破断を引き起こすこととなる。また７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を越えると、繊維束の弾性率が高すぎて糸繋ぎ部分が良好に形成されないし、高い除熱の効果を相殺してしまう。熱伝導率は、７Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが更に好ましい。
【００２７】
ここでいう熱伝導率は、以下に示す繊維束の熱拡散率、密度、比熱より、式（１）により算出したものである。
λ＝αρＣｐ                                                （１）
λ  ：熱伝導率(W/(m・K))
α  ：熱拡散率(m2/s)  以下の文献に示される光交流法に従い算出した。
【００２８】
T.Yamane, S.Katayama, M.Todoki and I.Hatta : J.Appl.Phys., 80 
(1996) 4385.
ρ  ：密度(kg/m3)   被測定物の空気中での重さＷ１（ｋｇ）、および、当該被測
定物を密度ρＬの液体に沈めた際の液中での重さＷ２（ｋｇ）に基づき、次ぎに示す式（２）により算出した。
ρ＝Ｗ１×ρＬ／（Ｗ１−Ｗ２）                      （２）
Ｃｐ：比熱(J／(kg・K))  ＪＩＳ  Ｒ１６７２を参考に、ＤＳＣ（示差走査熱量計）で測定温度が２５℃で測定した値である。ＤＳＣは、Perkin-Elmer社製DSC-7程度の機能を有するものであれば充分であり、標準資料としてサファイア（α-Ａｌ２Ｏ３）、アルミニウム容器を用いることも出来る。
なお、繊維束の熱拡散率、比熱は、それぞれｎ＝２、密度はｎ＝６で測定した平均値を用いる。
【００２９】
また、第３の繊維束のドレープ値が１５ｃｍを越えると糸束が硬くなりすぎるため、エアなどの流体交絡処理時に糸束が捌けにくくなり、第１前駆体繊維束及び第２前駆体繊維束との交絡が均一にかからなくなる。このため、ドレープ値の好ましい範囲は１０ｃｍ以下、更に好ましい範囲は８ｃｍ以下である。ドレープ値とは、糸束の硬さを表したものであり、その値が小さいほど柔らかく、形態保持性が小さいとも言える。このドレープ値の下限は、２ｃｍである。すなわち、捌けやすく、比較的柔らかい糸束である程交絡がかかり易いが、２ｃｍ未満では、柔らかすぎて取り扱いが困難となる。また、糸束がさばけやすいため、前駆体繊維との接合時に、除熱に有効な各単糸が切れやすく、工程張力に耐えるための引張強度も低下するため２ｃｍ以上とすることが好ましい。ドレープ値をコントロールする手段として色々あるが、代表的には、その第３の繊維束に付与されるサイジング付着量で好適にコントロールすることが出来、サイジング付着量を上げればドレープ値は高くなり、下げれば低くなるので、所望の値に調整することが可能である。
【００３０】
ここでいうドレープ値について、図４を用いて説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明で用いるドレープ値の測定方法を示す概略側面図である。図４（ａ）で示すように、約５０ｃｍにカットされた繊維束を、温度２３℃、湿度６０％の雰囲気下で重りを０．０３７５ｇ／ｔｅｘの張力でぶら下げ、３０分以上放置する。それを３０ｃｍの長さに切断し、図４（ｂ）で示すように、その一端部を四角柱７の上面に片持支持の状態で垂れ下がらないよう床面と平行になるよう固定する。このとき、繊維束が、四角柱７の側面に対して直角になるように、かつ、四角柱７の側面から、繊維束の先端までの長さが２５ｃｍになるように図（ｂ）で示すように平板８で添えて固定した。そのあと、図４（ｃ）に示すように、平板８だけを素早く取り除き、重力によって垂れ下がった繊維束の先端と四角柱７の側面とがなす最も近い距離Ｘ（ｃｍ）を測定する。このとき、平板８を取り外して繊維束が垂れ始めた１秒後の距離Ｘ（ｃｍ）をドレープ値とする。  
【００３１】
また、第１の前駆体繊維と第３の繊維束との重ね合わせ部、および第２の前駆体繊維と第３の繊維束との重ね合わせ部に関して、より流体交絡処理を均一にさせるために、この第３の炭素繊維束は、扁平度が２０以上のものであることが重要である。扁平度が２０未満であると、糸束が細いため、流体交絡処理時の捌け方が不均一になり易くなり、糸繋ぎ接合部の引張強さの低下や糸切れ温度の低下に繋がる。また、扁平度の上限は、２００程度であり、２００を越えると糸束が広くなりすぎるために第１の前駆体繊維束及び第２の前駆体繊維束との交絡に斑が発生し易く、繋ぎ接合部の引張強さの低下につながる。
【００３２】
ここでいう扁平度とは、以下に示す炭素繊維束の幅Ｗと炭素繊維束の厚みＴからＷ／Ｔで求めることが出来る。ここで、炭素繊維束の幅Ｗとは、第３の炭素繊維束を静置した状態で測定した値であり、炭素繊維束の幅を定規にて直接測定したものである。
【００３３】
また、接続繊維束の厚みＴ（ｍｍ）は、接続繊維束を形成している多数本のフィラメントにおける各フィラメントの単糸繊度Ｙ（ｇ／ｍ）、密度ρ（ｋｇ／ｍ３）、接続繊維束を形成しているフィラメントの数Ｆ、および、接続繊維束の幅Ｗ（ｍｍ）に基づき、次ぎに示す式（３）および式（４）から算出される値である。
Ｄ（ｍｍ）＝√（４×Ｙ×１０３／（π×ρ））            （３）
Ｔ（ｍｍ）＝Ｆ×Ｄ２／Ｗ                               （４）
第３の繊維束の繊度は、第１の前駆体繊維束や第２の前駆体繊維束の繊度に対して、０．２倍以上３．０倍以下の間にあることが好ましい。０．２倍未満では、第１の前駆体繊維束及び第２の前駆体繊維束部分に第３の繊維束と絡合しない交絡不良部が発生し易くなるため好ましくない。また、３．０倍を越えると、今度は第３の繊維束に交絡不良が発生し易くなるため好ましくない。第３の繊維束の繊度は、第１前駆体繊維束及び第２前駆体繊維束の繊度に対して、０．３倍〜１．２倍がより好ましく、０．４〜０．８倍がさらに好ましい。第１と第２の両前駆体繊維束の繊度は同一の場合だけでなく異なる場合でも、上記範囲を守ることで生産性良く連続的に生産可能である。
【００３４】
本発明では、上記の前駆体繊維束の製造方法で得られた糸繋ぎ接合部を有する炭素繊維の前駆体繊維束を焼成することにより炭素繊維とすることができる。
【００３５】
また、前駆体繊維束と炭素繊維束間の接合部の常温雰囲気中での引張強さは、２０ｇ／ｔｅｘ以上であることが好ましい。ここで言う常温とは、前駆体繊維束と炭素繊維束を接合する作業雰囲気、つまり外気温程度をさし、具体的には２０℃〜３０℃であり、この温度領域の全ての温度で接合部の引張強さ２０ｇ／ｔｅｘ以上であることが好ましい。なお、本発明においては５℃程度から５０℃の温度領域の全ての温度で接合部の引張強さ２０ｇ／ｔｅｘ以上であればより好ましい。かかる温度領域のいずれかの温度において２０ｇ／ｔｅｘ未満となった場合には、接合部が耐炎化等の各工程での張力に耐えられず破断するトラブルが発生することがあり好ましくない。この接合部の引張強さが高い方が工程上の通過性の観点では好ましいが、引張強さを上げるため交絡を強くしようとすると、逆に前駆体繊維束、さらには炭素繊維束の各単糸が破断してしまうため上げきらないことがある。５０ｇ／ｔｅｘ程度も有れば十分であることが多い。
【００３６】
ここでいう引張強さとは、次のように測定して得られる値と定義する。ＯＲＩＥＮＴＥＣ社製（型式：ＲＴＣ−１２２５Ａ）程度の能力を有する引っ張り試験機を用い、前駆体繊維束と炭素繊維束を接合した両端部間の引張強力を引張速度１００ｍｍ／分で測定したときの最大値を、第１または第２の前駆体繊維束の内、破断した側の繊維束の繊度（ｔｅｘ）で割り、引張強さとする。同一の太さ、フィラメント数の前駆体繊維束間を第３の繊維束にて連結する場合は、第１および第２の前駆体繊維束とも同一の値となり本願請求項に記載の範囲を満たす必要がある。また、第１および第２の繊維束のフィラメント数等が異なる、つまり太さの異なる前駆体繊維束を、特定の第３の繊維束で連結する場合、第１の前駆体繊維束と第３の繊維束、さらには第３の繊維束と第２の前駆体繊維束間の接合部とも本願請求項に規定する範囲に有ることが必要となる。
【００３７】
本発明で用いる第３の繊維束は、炭素繊維束は、熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、フィラメント数が３０００本以上で、かつドレープ値が２ｃｍ以上１５ｃｍ以下で、扁平度が２０以上であることをすべて満たすことで本発明の優れた効果を発揮するものである。熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、フィラメント数が３０００本以上である炭素繊維は、前駆体繊維の単繊維数や焼成条件による炭化または黒鉛化の度合を調整して得ることができる。次に、ドレープ値が２ｃｍ以上１５ｃｍ以下で、扁平度が２０以上とする好ましい製造方法の一例を以下に示す。前駆体繊維として、ポリアクリロニトリルを原料として紡糸したポリアクリロニトリル繊維束を一旦ボビン等に巻き上げたものを用い、かかるポリアクリロニトリル繊維束をボビンから引き出し、空気中２３０〜２８０℃で耐炎化処理を行い、次いで最高温度１９００℃以下に管理された炭化炉にて炭素化して炭素繊維束とする。必要に応じて、得られた炭素繊維束を最高温度１９００〜２６００℃に加熱し黒鉛化繊維束とすることも可能である。このようにして得られた炭素繊維束ないしは黒鉛化繊維束を、１．５〜６．０ｇ／ｔｅｘ、好ましくは２．０〜５．５ｇ／ｔｅｘの張力下でサイジング剤を付与した後、１００℃〜１５０℃程度に管理されたホットロールに押し付けて扁平化させつつ乾燥させて巻き取ることで、ドレープ値が２ｃｍ以上１５ｃｍ以下で、扁平度が２０以上の炭素繊維束が得られる。なお、付与するサイジング剤は、特に限定せずに用いることができ、ドレープ値を前記範囲に調節するために、その付着量や付着方法、さらには乾燥温度を適宜選択すればよい。
【００３８】
本発明では、前述の特性を有する炭素繊維束を接続媒体として介することで耐炎化炉での発熱を効率的に除熱し、生産性を大幅に改善するという優れた効果を奏するが、さらに本発明の優れた効果をより高めるため、前駆体繊維束と炭素繊維束間を接合するのに以下の方法を用いることが好ましく用いられる。本発明で使用する前駆体繊維束の連結には、繊維束の幅方向に直列に複数の流体噴射孔の列が開口され、前記流体噴射孔の列が繊維束方向に間隔をあけ２列以上に配置された少なくとも１組の交絡処理手段により加圧流体を噴射して、前記接合部を作成し、その接合部の束方向に複数の絡合部分をもつものが好ましい。好ましい噴射孔の配列の一例を図５に示す。図５では、噴射孔として２列の場合を示している。前記流体噴射孔の列が直列に単数では、前記絡合部が複数になり難く、その部分が蓄熱切れし易くなる。単数の場合、図５に示す孔の列が１つとなる場合である。孔の数は特に決まらないが、その都度、前駆体繊維束の繊度によって調整することが出来る。また、前記流体噴射孔の列が１列では、図３のＸに示す放熱部が十分に取りにくくなり、接合部が蓄熱し糸切れし易くなるため好ましくない。しかし孔の列が多くなると加圧流体の使用量が多くなり、特別な装置を必要とすることもあり、２列有れば十分であることが多い。
【００３９】
この、加圧流体を噴射して得られる連結部の形態を図３を用いて説明する。
【００４０】
図３は本発明の糸繋ぎ接合部の概略平面図の一例であり、本発明の糸繋ぎ接合部Ａでは、前駆体繊維束と炭素繊維束の両末端部同士を重ね合わせて形成される糸繋ぎ絡合部Ａにおいて、両繊維束が開繊され、熱を外部に放出させることができる放熱部Ｂと、その放熱部Ｂの両端部に存在し、高い引張強度を発現するため繊維束の幅方向に複数の部分絡合Ｄをもつ絡合部Ｃを備えている。つまり、１組の加圧流体噴射手段を用いることで、１つの放熱部Ｂと２つの絡合部を有する形態となる。ここで、前駆体繊維束と炭素繊維束が放熱部Ｂを有する形態をとると、前駆体繊維束から発生する反応熱が炭素繊維束と単糸同士でふれあうこととなり炭素繊維による優れた除熱効果を活かせるだけでなく、通常耐炎化工程にて前駆体繊維束からの発熱を除熱する目的でも吹き込まれる熱風が通り易く、交絡部に存在する前駆体繊維束から発生する反応熱も含めて効率的に除熱することが可能になるものと考えられる。ここで、絡合束数とは、この部分絡合Ｄの１列あたりの束総数をいい、例えば図３での絡合束数は、４束となる。絡合束数は、２束以上が好ましく、さらに好ましくは３束以上である。通常、絡合束数の上限値としては、エア交絡処理設備の性能及び繊維束のトータルフィラメント数から１０束程度である。絡合束は１束であると繊維束密度が高くなるため、耐炎化工程で前駆体繊維束自身の発熱により酸化反応が急激に起こり、糸繋ぎ接合部が焼損し易くなるため好ましくない。すなわち、糸繋ぎ絡合部は、絡合束数を多くして、１束当たりのフィラメント数を小さくすることにより、糸繋ぎ接合部の引張強さを損なわずに、前駆体繊維束自身の発熱をさらに効率的に除熱することが可能となる。  本発明では、上記の前駆体繊維束の製造方法で得られた糸繋ぎ接合部を有する炭素繊維の前駆体繊維束を焼成することにより炭素繊維とすることができる。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例をあげて本発明の効果を具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００４２】
本発明の実施例では、先に炭素繊維の製造工程の一実施形態として説明した焼成製造工程を用いて、糸繋ぎ接合部を走行させた。
【００４３】
耐炎化炉の条件は、炉内風速が前駆体繊維束の走行方向に対して鉛直方向に１．０ｍ／秒になるように流し、工程中の走行糸条に加える張力は１．５ｇ／ｔｅｘとなるように調整した。そして、この耐炎化炉における接合部の通過可能な上限温度を測定した。また、炭化工程の通過状況は、接合部を有さない耐炎化炉を通過可能な温度から耐炎化炉内の温度斑や測定器の誤差を考慮して１０℃低下させた温度を基本的に設定して耐炎化処理し、さらには続く炭化工程での通過状況を測定した。
【００４４】
また、本発明の実施例において前駆体繊維束は、単繊維繊度が１．１ｄｔｅｘである実質的に撚りの無いフィラメント数が２４，０００本のポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を使用した実施例と各比較例について、結果を一連表１にまとめた。
【００４５】
（実施例１）
第１と第２の前駆体繊維束の末端部に、それぞれフィラメント数４８０００本、２４０００本、１２０００本の第３の繊維束である炭素繊維束を重ね合わせ、３種類の接合サンプルを作成した。このとき、２列に配設された交絡処理手段を用い、第１ないしは第２の前駆体と第３の繊維束である炭素繊維束を合わせたうえで９．０％の弛緩量を付与した後、０．４ＭＰａの圧縮空気を２秒間噴射した。これにより、形成された図３で示した形態の結合部Ａが図２に示す様に３個ずつ作成した。
【００４６】
その結果、表１に示すとおり、接続部がない連続原糸の参考例と比較して、各サンプルとも耐炎化炉通過可能な温度が０〜１℃低下する程度で、接合部が耐炎化炉を通過可能な温度低下幅は小さかった。また、(イ)から(ハ)の各接続部を耐炎化炉以降の各工程に走行させたが、耐炎化工程だけでなく、炭化工程も含めて、最終的にワインダーでボビンに巻き上げるまで蓄熱や工程中の張力による糸切れも見られず、生産条件を変更せずに糸繋ぎが可能となり、生産効率を大幅に向上することが出来た。
【００４７】
（実施例２、３）
実施例２では、糸繋ぎ用炭素繊維を表１に示したものに変更し、実施例３では接合数を１とした以外は、実施例１と同様に実施した。その結果、耐炎化炉が通過可能な温度は参考例と比較して３〜４℃低下し、炭化工程でも張力による若干の糸切れが見られたが、十分に生産対応可能なレベルであった。
【００４８】
（実施例４、５）
糸繋ぎ用炭素繊維を表に示したものとし、繊度比を３．０９（実施例４）および０．１５（実施例５）とした以外は、実施例１と同様に実施した。結果、耐炎化炉が通過可能な温度は参考例と比べてそれぞれ５℃低下し、炭化工程でも糸切れが見られたが、生産対応可能なレベルであった。
【００４９】
（実施例６）
使用する交絡処理手段として、１列に流体噴射孔が配設されたものを用いたこと以外は、実施例１と同様に実施した。第１の繊維束と第３の繊維束、さらには第３の繊維束と第２の繊維束のそれぞれの結合部（図３の結合部Ａに該当）を目視観察すると、それぞれの繊維束を構成する単糸間の均一な交絡は見られたが、図３に示す部分交絡Ｄはハッキリとは観察されず、ほぼその中央部にておおよそ２分割されている程度であった。得られた結合部の耐炎化炉が通過可能な温度は参考例比７℃低下し、炭化工程通過率が低下も、生産対応可能なレベルであった。
【００５０】
（比較例１）
第１および第２の繊維束であるフィラメント数２４０００本の前駆体繊維束の末端部同士を、第３の繊維束である糸繋ぎ用の炭素繊維束を使用しないで、実施例１と同様の糸繋ぎ条件で接合した。結果、接合部の形態、引張強さ、接合数、部分絡合数は実施例１とほぼ同等なものであったが、接合部が前駆体繊維束同士であるために、耐炎化炉内での除熱が十分に行われず、耐炎化炉内で接合部が蓄熱・損傷しやすくなった結果、耐炎化通過可能な上限温度が２５０℃となり、ブランク及び実施例と比較して大幅に低下した。この接合部は、耐炎化炉は糸切れも見られず通過したが、炭化炉では接合部での糸切れが見られ、再度炉を通糸させる必要があり、作業負荷が大きくかかった。
【００５１】
（比較例２）
糸繋ぎ用である第３の繊維束のドレープ値が２０ｃｍとしたこと以外は、実施例１と同じ糸繋ぎ条件で接合して測定した。その結果、第３の繊維束が硬すぎて拡がらないために、第１ないしは第２の繊維束と十分な交絡が得られないため、接合部の引っ張り強度も低く、前駆体繊維の発熱を効率的に除熱することが出来なくなった。第３の繊維束のドレープ値が２０ｃｍと高く、つまり繊維束が硬いため、前駆体繊維束と糸繋ぎ繊維束が均一に接合しないため、引張強さも低く、接合部が蓄熱・損傷しやくなり、耐炎化通過可能な上限温度も大幅に低く２４７℃となった。その結果、耐炎化工程を通過可能な温度は、実施例１のみならず、第３の繊維束を用いない比較例１よりも低くなってしまい、耐炎化炉に吹き込む熱風の温度よりも低下した。そのままの温度では耐炎化炉でも糸切れ発生するため、設定温度を落とさざるおえなくなった。結果として不足する熱処理量を補うため、炉全体の速度を落とす、つまり生産性を落とさざるおえなくなった。以降の比較例も含めて、耐炎化炉を通過可能な上限温度が２５０℃よりも下回るものについては、耐炎化炉を通過させるために、各例での耐炎化炉を通過可能な上限温度から１０℃低下させた温度にて、温度低下分、速度を低下して炭化工程含めて以降の工程を通過させた。しかし、接合部の引っ張り強さが低いこのサンプルでは、炭化工程での通過時も前駆体繊維束と炭素繊維束間の交絡がほどけた様な形態で糸条が破断する状態が多数みられ、さらに生産性が低いものであった。
【００５２】
（比較例３）
糸繋ぎ用である第３の繊維束のドレープ値を１ｃｍとした以外は、実施例と同じ糸繋ぎ条件で接合し、同じ条件で測定した。その結果、糸繋ぎ繊維束が捌け過ぎて取り扱い性が著しく悪化し、繋ぎ作業に要する時間が大幅増加してしまった。出来上がった糸繋ぎ部の形態は、炭素繊維束の単糸切れが多数見られたものの概ね良好であり、耐炎化通過可能な上限温度も２５２℃と低下の程度は小さかった。実施例１と同じ耐炎化炉への吹き込み温度で熱処理した際の糸切れは見られなかったが、単糸切れの影響で引張強度が大きく低下したため、炭化工程に連続して通したさいに糸条の破断が多発し通過率が低い結果となった。
【００５３】
（比較例４）
糸繋ぎ用繊維束の扁平度を１４にした以外は、実施例と同じ糸繋ぎ条件で接合し、同じ条件で測定した。結果、比較例２同様に糸繋ぎ用繊維束が拡がりにくく、前駆体繊維束と糸繋ぎ繊維束の接合が不均一となったためと推定するが、耐炎化雰囲気中での接合部にかかる張力が不均一となり、耐炎化通過可能な上限温度も低下し、耐炎化炉の吹き込み温度と速度を落としたものの、低い引張強度の影響で炭化工程通過率が低かった。
【００５４】
（比較例５）
第３の繊維束として、耐炎化工程を通過した連続繊維（耐炎化糸）を用いたことを除いて、実施例１と同じ条件で接合した。耐炎化糸の熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。その結果、熱伝導率が低すぎるために、耐炎化雰囲気中での接合部の放熱が不十分なため、蓄熱による糸切れが発生しやすく、前駆体繊維速と耐炎化繊維束の集束性の差と推定するが、交絡部分の不均一な状態が確認され、耐炎化通過可能な温度は２４５℃と低く、炭化工程通過率も低かった。
【００５５】
（比較例６）
第３の繊維束として、炭素化時の温度を高めて熱伝導率が８００Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを用いた以外は、実施例と同じ糸繋ぎ条件で接合し、同じ条件で測定した。結果、糸が硬く脆いため、噴射した流体により第３の繊維束の各単糸の切断が多く、工程を通過させうる接合部を作成することが出来なかった。
【００５６】
（比較例７）フィラメント数１０００本の糸繋ぎ用繊維束と単繊維繊度が１．１ｄｔｅｘである、実質的に撚りの無いフィラメント数が３，０００本第１、及び第２の前駆体繊維束を接合した以外は、実施例と同じ糸繋ぎ条件で接合し、同じ条件で測定した。結果、糸繋ぎ用繊維束が細すぎるために、第１、及び第２の前駆体繊維束とほとんど接合しないため、引張強さが著しく低く、引張強さや、耐炎化工程での通過可能な上限温度等も測定不可能であった。
【００５７】
（比較例８）
フィラメント数を３０００本の糸繋ぎ用繊維束と単繊維繊度が１．１ｄｔｅｘである、実質的に撚りの無いフィラメント数が１，０００本のポリアクリロニトリル系前駆体繊維束である、第１、及び第２の前駆体繊維束を接合した以外は、実施例と同じ糸繋ぎ条件で接合し、同じ条件で測定した。結果、前駆体繊維束が細すぎるために、糸繋ぎ用繊維束と第１、及び第２の前駆体繊維束とほとんど接合しないため、引張強さが著しく低く、比較例７と同様に各評価は測定不可能であった。
【００５８】
上記の実施例及び比較例から、本発明にかかる前駆体繊維束の接続方法は、連続的炭素繊維を生産性良く工業的に製造する上で、特にその耐炎化処理に対して、極めて効果的であることが判る。
【００５９】
【表１】
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【符号の説明】
【００６０】
Ａ：糸繋ぎ接合部
Ｂ：放熱部
Ｃ：絡合部
Ｄ：部分絡合
Ｘ：放熱部の繊維束方向の長さ
Ｙ：部分絡合の繊維束方向の長さ
１：第１の繊維束
２：第２の繊維束
３：第３の繊維束（糸繋ぎ用接続媒体）
４：第３の繊維束端部
５：第１の前駆体繊維束の端部
６：第２の前駆体繊維束の端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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